Методическое пособие 807

Качество воды в период исследования характеризовалась следующими показателями:

t=20-26°C; ph=7,0-8,0; взвешенные вещества 2-10мг/л; окисляемость 6,0- 30,0 мг/л; азот аммонийных солей 0,02-2,0 мг/л; азот нитритов 0,005-0,15 мг/л; азот нитратов 7,0-60 мг/л; растворённый кислород 5,0-7,0 мг/л

Отклонение темпов роста и физиологических характеристик от нормальных замечено не было.

Исследования показали возможность выращивания молоди карпа массой до 50-200 г в замкнутой системе с использованием установки для очистки и регенерации.

Индустриальное рыбоводное хозяйство, как правило, включает все основные процессы производства рыбы: содержание, инкубацию икры.

Проведённые исследования по выращиванию рыб карпа и осетровых позволяют сделать вывод о практической возможности осуществления выращивания в замкнутых системах, включающих узлы очистки на фильтрах, дополнительной аэрацией, терморегуляцией, обеззараживание воды.

Важно отметить, что при проведении опыта по инкубации икры нужно учитывать сложность требуемого блока очистки оборотной воды. Такое решение применимо для отдельных инкубационных хозяйств при соответствующей технико-экономическом обосновании.

На основе опыта после 10 часов инкубации в оборотной воде значительно выросла концентрация органических загрязнений, величина ХПК повысилась с 9,76 мг/л до 33,1 мг/л, через 20 часов значение ХПК составило 56,0 мг/л и другие показатели. Концентрация аммонийного азота – 7,7 мг/л, взвешенных веществ 35,0 мг/л.

В следующем опыте оборотная вода подвергалась очистке на фильтре с активированным углём. При работе оборотной системы в течение 66 часов, качество воды было удовлетворительно.

ХПК – в пределах 10 мг/л, концентрация аммонийного азота до 1-2 мг/л, взвешенных веществ до 2,0 мг/л.

При подключении клиноптилолитового фильтра повышался эффект очистки воды: содержание взвешенных веществ до 1 мг/л, аммонийного азота до 0,5 мг/л.

Проведённые опыты по инкубации икры карпа позволяют сделать вывод о практической возможности осуществления этого процесса в замкнутой системе, включая узлы очистки на фильтрах, активированном угле и цеолитах.

Система обязательно должна быть дополнена узлами аэрации, терморегуляции и обеззараживания воды. В продолжении исследования замкнутой системы рыбоводного хозяйства дополнили её гидропоникой, что позволило усовершенствовалась данную технологию и внести новшество.

Вторым этапом нашей работы в лаборатории является наблюдение за ростом растений и сравнение полученных результатов.

Аквапоника решает проблему отчистки воды вредных соединений, которые накапливаются в замкнутой системе водопользования. Азотистые, калий-

80

ные, фосфорные соединения, углекислый газ негативно влияют на рыб, но для растений являются прекрасным удобрением. Основным продуктом разложения отхода жизнедеятельности рыб является аммиак, который они выделяют в воду. Из-за аэробных бактерий он окисляется, и его газообразные производные превращаются в нитриты и нитраты, но для данного процесса бактериям необходим кислород, который поставляют растения. Растения поглощают данные соединения, тем самым снижая токсичность воды. Хотя растения могут в некоторой степени поглощать аммиак непосредственно из воды, нитраты они усваивают легче.

В уже существующую установку добавили свет.

Первый способ заключается в использовании воды из рыбоводной ёмкости по выращиванию карпа и осетровых. Для второго способа брали водопроводную воду.

Вода из рыбоводной ёмкости соответствует всем параметрам качества воды, пригодной для ведения рыбоводного хозяйства.

Также решили сравнить, в каком грунте быстрее и лучше прорастут растения. Для проращивания были выбраны земля и камни.

Для опыта взяли 4 вида растений: лук батун сорт апрельский, петрушка бутербродная, салат сорт дубрава, базилик сорт зелёный.

Каждая культура была посажена в 2 горшка с землёй и камнями соответственно.

05.03 посадили растения.

Листья салата, который рос в ёмкости с водой из бассейна с рыбами, были более зелёные и насыщенные в сравнении с листьями салата, который рос в ёмкости с водопроводной водой (рисунок). Также можно заметить, что при использовании воды из бассейна всходы появились быстрее.

81

Рисунок. Сравнение полученных результатов

Гидропоника отлично дополняет систему регенерации и очистки воды рыболовных хозяйств с замкнутым циклом водопользования.

Выводы

Проведённые исследования по выращиванию рыб карпа и осетровых позволяют сделать вывод о практической возможности осуществления выращивания в замкнутых системах, включающих узлы очистки на фильтрах, дополнительной аэрацией, терморегуляцией, обеззараживание воды.

В результате второго этапалабораторногоисследованиявыяснили, что вода из бассейнов с рыбами отлично подходит для выращивания растений. Получили здоровые побеги без внешних повреждений и насыщенного зелёного цвета. Также гидропоника и аквапоника может использоваться как для ведения бизнеса (поставки зелени в рестораны, и т.п.), так и в домашних условиях или в местах, с недостаточной площадью почвы для выращивания различных культур.

Литература

1.Брайнбалле Я. Руководство по аквакультуре в установках замкнутого водоснабжения Копенгаген, 2010 г.

2.Кулаченко В. П. «Аквакультура»: Учебное пособие. - Белгород: Изд-во БелГСХА, 2011.- 96 с.

3.Сравнение эффективности гидропонной и аквапонной технологий на установках замкнутого водоснабжения / В. Н. Яценко, А. Л. Семёнов, Т. В. Степанова [и др.]. — : непосредственный // Научно-образовательный журнал преподавателей и студентов «StudNet». — Москва : Электронная Наука, 2020

4.Разработка элементов инновационной автоматизированной аквапонной технологии производства сельскохозяйственной продукции / А. В. Ковригин, В.

П.Кулаченко, Р. А. Исаев [и др.]. //Белгородский агромир. – 2015.-№3. С.8-10

82

УДК 628.515

Исследование фотоэлектрохимических свойств массивов анодных одностенных нанотрубок оксида титана,

модифицированных наночастицами металлов

Т.П. Савчук1, А.К. Тарханов2, С.А. Довбня3, С.А. Карпункова4, А.Ю. Лебедева5

1Национальный исследовательский университет «МИЭТ», институт перспективных материалов и технологий (ПМТ)

2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»,

канд. физ.-мат. наук, anvetkin@yandex.ru, 3,4,5Студенты гр. бПЗ-181, бПГС-182, бЭУН-181, 1sergodovbn@mal.ru

В настоящей работе исследовались фотоэлектрохимические свойства фотокатализаторов на основе анодных нанотрубок оксида титана, модифицированного наночастицами металлов (Au, Pt). Нанотрубчатый оксид титана получали методом электрохимического окисления Ti фольги во фторсодержащем электролите на основе этиленгликоля. Фотоактивность образцов оценивали методом фототока при освещении светодиодом с длиной волны 399 нм. Морфологию, геометрию и состав образцов исследовали методами растровой электронной микроскопии и абсорбционной атомной спектроскопии (ААС).

Ключевые слова: фотокатализаторы, оксид титана, нанотрубки

Оксид титана сосредоточил на себе внимание исследователей благодаря своим свойствам: фотокорозионной и химической стойкости, благоприятному расположению потенциалов зоны проводимости и валентной зоны для успешного фотоиндуцированного разложения воды. Подобные свойства материала сделали оксид титана наиболее перспективным материалом для фотокаталитических применений.

Вертикально ориентированные массивы нанотрубок анодного оксида титана (НТАОТ) на подложке, полученные методом электрохимического окисления, могут быть альтернативой наноструктурированным порошкам (наночастицы). Массивы НТАОТ сохраняют главное преимущество наночастиц - большую удельную площадь поверхности и в тоже время обладают рядом собственных достоинств: возможность приложения потенциала, более эффективный массоперенос и иммобилизированность на подложке, что исключает попадание катализатора в обрабатываемую жидкую среду [1,2,3]. Однако, главным недостатком оксида титана является большая ширина запрещенной зоны (3,2 эВ для анатаза), что ограничивает применение данного материала при использовании солнечного света в качестве источника излучения. Осаждение наночастиц благородных металлов для расширения спектра поглощения наносруктурированного оксида титана в видимую область спектра один из простых шагов решения такой проблемы. Однако, зачастую для осаждения наночастиц используют вау-

83

умные дорогостоящие ме тоды (магнетронное распыление, в акуумтермическое напыление, осаждение из газовой фазы).

В настоящей работе был использован простой, не требующий специального оборудования метод осаждения из жидкой фазы. Образцы анодных нанотрубок оксида титана полу чали методом электрохимического окисления титановой фольги (99,7%) в тече ние 5 ч.Используемый электролит: этиленгликоль, 0,3 г NH4F, 2 мл H2O на 100 мл объема электролита. Для уве личения удельной площади поверхности внутренний слой нанотрубок был селективно удален согласно методике описанной в [4]. Для кристаллизации образцы были подвержены термической обработке на воздухе 1 ч при 450 оС. Осаждение наночастиц металлов (Au, Pt) было осуществлено золь-гель методом при погружении образцов в раствор мочевин ы и прекурсоров металлов в течение 12 ч при 60 оС.

Диапазон размеров осажденных наночастиц металлов был оценен при помощи растровой электр онной микросокопии (РЭМ) и составил от 30-60 и 90150 нм для Au и Pt соответ ственно (рис. 1).

Рис. 1

РЭМ фотографии на нотрубчатого оксида титана с осаж денными наночатицами металлов (Au, Pt)

Фотоэлектрохимические свойства образцов были оценены методом измерения фототока в 0,1 М ра створе Na2SO4 при освещении све тодиодами с рабочей длиной волны 399 нм и общей мощностью 3 и 6 Вт (рис . 2). Толщина оксидного слоя была опреде лена по фотографиям РЭМ скола образцов (рис. 2).

Рис. 2 РЭМ изображение скола образца и кинетики плотност и фототока образ-

цов с наночастицами металлов наночатицами металлов (Au, Pt) при облучении светодиодами с длиной волны 399 нм (3 и 6 Вт).

Как видно из представленных данных, наиболее фотоактивными образцами при облучении светодиодом мощностью 3 Вт с длинной волны 399 нм являются образцы с осажденными наночастицами Pt и Au в срав нении с образцом

84

без наночастиц металлов. В момент включения света (120 с) для всех образцов можно наблюдать резкий скачок плотности фототока с дальнейшим быстрым спадом до некого равновесного состояния. Такое изменение фототока можно связывать с быстрой поверхностной рекомбинацией электронов с OH радикалами образованными на поверхности полупроводника в реакции OH- и h+ [5]. Увеличение мощности излучения до 6 Вт не приводит к двукратному увеличению фототока для всех образцов. Наиболее фотоактивным образцом в используемых условиях эксперимента является образец с наночастицами Pt не смотря на большой размер частиц, которые могут вызывать эффект затенения полупроводниковой структуры. Такой эффект можно связывать с эффектом плазмонного резонанса на наночастицах платины при выбранной длине волны светодиодов.

Литература

1.Liu, Z., Zhang, X., Nishimoto, S., Murakami, T., & Fujishima, A. (2008). Efficient Photocatalytic Degradation of Gaseous Acetaldehyde by Highly Ordered TiO2 Nanotube Arrays. Environmental Science & Technology.

2.Weon, S., Choi, J., Park, T., & Choi, W. (2017). Freestanding doubly openended TiO2 nanotubes for efficient photocatalytic degradation of volatile organic compounds. Applied Catalysis B: Environmental, 205, 386–392.

3.Weon, S., & Choi, W. (2016). TiO2 Nanotubes with Open Channels as De- activation-Resistant Photocatalyst for the Degradation of Volatile Organic Compounds. Environmental Science & Technology, 50(5), 2556–2563.

4.Nguyen N. T. et al. Optimizing TiO2 nanotube morphology for enhanced photocatalytic H2 evolution using single-walled and highly ordered TiO2 nanotubes decorated with dewetted Au nanoparticles //Electrochemistry Communications. – 2017. – Т. 79. – С. 46-50.

5.L.M. Abrantes, L.M. Peter, Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry 150 (1983) 593–601.

85

УДК 004.942

Исследование электромеханической системы дискового типа

Д.Р. Черкасов1, Т.Е. Черных2, А.В. Тикунов3 1Магистрант, 4ekaso@mail.ru

2Старший преподаватель, Tany_ch@list.ru

3Канд. техн. наук, доцент, Tikunov_A@list.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Рассматриваются результаты разработки математического описания электромеханических систем дискового типа.

Ключевые слова: электромеханическая система дискового типа, математическая модель, численное и аналитическое моделирование.

Внастоящее время в области проектирования и производства электрических машин возрос интерес к машинам, имеющим дисковую и торцевую конструктивные схемы и возбуждение от постоянных магнитов. Однако, не смотря на то, что такая конструкция известна давно, но вопросы детального исследования процессов в машинах данного типа не достаточно изучен.

Всвязи с тем, что кафедрой ЭМЭС ВГТУ уже длительное время ведутся разработки генераторов дисковой конструкции для автономных источников энергии, вопрос разработки методик исследования процессов, а также способов оптимизации геометрических размеров таких машин весьма актуален. В связи с этим была поставлена задача разработки математического аппарата, который может быть использован для исследования машин данного типа.

Вкачестве объекта исследования был принят синхронный дисковый генератор [1, 2]. Особенностью данной машины является то, что в зависимости от необходимых параметров может устанавливаться обмотка различного типа: однослойная катушечная обмотка (рис. 1, а), однослойная шаблонная двухплоскостная обмотка (рис. 1, б) и двухслойная петлевая обмотки (рис. 1, в). Были проведены исследования электромеханической системы с данными типами обмоток, по результатам которых было выявлено, что наилучшие энергетические характеристики имеет машина с однослойной концентрической двухплоскостной обмоткой [3].

В ходе дальнейших исследований была разработана математическая модель электромеханической системы с возбуждением от постоянных магнитов, при помощи которой возможно исследование динамических процессов в системах подобного типа [4].

Адекватность созданной модели была подтверждена верификационными исследованиями, с использованием аналитических и численных методов моделирования. Также адекватность полученной модели была подтверждена эмпирически на физической модели системы.

По результатам исследований математической модели были построены графические зависимости переходного процесса токов, индуцированного в обмотках напряжения и электромагнитного момента, представленные на рис. 2. Результаты сравнительного анализа переходных процессов, полученных аналитическим и численным методами моделирования, представлены на рис. 3.

а) б)

в)

Рис. 2. Графические зависимости тока (а), индуцированного напряжения (б) и электромагнитного момента (в)

Рис. 3

Для апробации разработанной математической модели было проведено исследование системы методом конечных элементов, для чего использовался программный комплекс на основе теории поля. При анализе результатов иссле-

87

дования был сделан вывод о том, что определение параметров электромеханической системы дискового типа на основе аналитических методов расчёта (методы эквивалентных преобразований) составляет менее 0,1%, что позволяет сделать выводы о том, что разработанная математическая модель дает возможность исследовать переходные процессы в электромеханической системе дисковой конструкции с минимальными затратами времени, а также дает возможность моделировать работу этой системы.

Литература

1.Патент на полезную модель 111365 Российской Федерации, МПК Н02Л21/24. Электрогенератор / Писаревский Ю.В., Беляков, П.Ю., Писаревский А.Ю., Тикунов А.В., Черных Т.Е. – № 2011133630/07; заявл. 10.08.2011; опубл. 10.12.2011.

2.Беляков П.Ю. Исследование торцевого синхронного генератора прямого привода для вертикально-осевой ветроэнергетической установки / П.Ю. Беляков, А.С.Павлов, Т.Е.Черных, Ю.В.Писаревский, А.В. Тикунов / Электротехнические комплексы и системы управления №2 2012, С. 11–16

3.Черных Т.Е. Выбор обмоток дискового синхронного генератора с воз-

буждением от постоянных магнитов. Т.Е. Черных, С.А. Белозоров, А.В. Тикунов / Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 14. № 5. 2018. С. 84-94.

4. Черных Т.Е. Моделирование синхронного генератора прямого привода для вертикально-осевой ветроэнергетической установки / Т.Е. Черных, С.А. Белозоров, А.В. Тикунов. Электротехнические комплексы и системы управления №4 2015. С. 34-36.

88

УДК 621.74

Конструирование нестандартных вариантов ЛПС в ЛВМ и тестирование их методами моделирования

М.В. Хлапов1, Л.С. Печенкина2 1Студент гр. бЛП-171, rkbpvf555000@gmail.com

2Канд. техн. наук, доцент, pls-7@mail.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В данной статье получен нестандартный типаж ЛПС для отливки «Корпус». Исследовалась возможность получения бездефектной отливки. Для предварительного просмотра литейной технологии и ее наладки была использована современная система моделирования – LVMFlow.

Ключевые слова: отливка, моделирование, усадка, ЛПС.

Главная задача способа ЛВМ - это получение в ответственных отливках высокой плотности при заданных требованиях. Данные задачи в большинстве случаев решаются путем разработки уникальной литниково-питающей системы и выбора оригинальных температурных режимов нагрева оболочковой формы. Эти задачи можно увидеть при помощи программ моделирования литейных процессов. В настоящее время особой популярностью пользуется система LVMFlow [1, 2, 5].

Для работы с программой автоматизированного моделирования литейных процессов нужен пул программ моделирования, нами была выбрана программа SolidWorks 2020, для удобства. Ввиду того, что каждая деталь индивидуальна, к ней, соответственно, нужен свой вариант ЛПС, для каких-то деталей можно использовать уже известные и опробованные конструкции питателей и литников, а для других нужны нестандартные. В связке с LVMFlow и SolidWorks, можно сконструировать новые, нестандартные элементы ЛПС для литья по выплавляемым моделям, а также проверить их на правильность и точность с точки зрения литья. Предметом изучения стала отливка «Корпус» из стали сплава 10Х18Н11БЛ, так как материал дорогостоящий и высоколегированный то критических дефектов в теле отливки быть не должно. Отличительной особенностью данного сплава является жаропрочность и коррозионостойкость. Данная отливка в дальнейшем будет использоваться в химической, мыловаренной промышленности. Далее на рисунках будет показан вариант ЛПС детали «корпус» для ЛВМ [3,4].

Отличительной особенностью данной задумки является нестандартный, не похожий на привычные виды ЛПС для литья по выплавляемым моделям, конструкция питания отливок, представляющая из себя центральный рассеиватель, по бокам которого идут 3 разветвителя, стыкующимся с телом отливки снизу, рис. 1 и 2.

89